Prinsip Penggantian Pemotong untuk TBM

1. Pemotong Tahan Suhu Tinggi

Selama proses penggalian TBM (Tunnel Boring Machine), pemotong cakram menghasilkan panas gesekan akibat gesekan dengan batuan. Hal ini menyebabkan suhu internalnya meningkat, sehingga menimbulkan gradien suhu dan ekspansi termal yang tidak merata. Tekanan guling yang terus-menerus dari pemotong terhadap batuan menciptakan tegangan dan regangan termal internal yang bergantian. Hal ini sangat mudah menyebabkan kerusakan akibat kelelahan pada pemotong, yang menyebabkan fraktur pada cincin pemotong. Pada saat yang sama, retakan mikro yang dihasilkan pada lapisan permukaan cincin pemotong oleh tegangan dan regangan termal yang bergantian juga akan mempercepat keausan cincin pemotong. Lebih lanjut, seiring dengan kenaikan suhu, kinerja komponen internal seperti bantalan dan segel akan terpengaruh secara signifikan. Hal ini menyebabkan penurunan viskositas oli pelumas, yang berpotensi menyebabkan kegagalan pelumas, mengurangi kapasitas dukung beban pemotong, dan memperpendek masa pakainya. Ketahanan suhu tinggi dari pemotong tahan suhu tinggi terutama bergantung pada kemampuan suhu tinggi dari segel mengambang internal dan media pelumas di dalam pemotong.

2. Pemotong Tahan Tekanan Air Tinggi

Dengan perkembangan luas ruang bawah tanah dalam beberapa tahun terakhir, operasi pengeboran terowongan perisai (shield tunneling) secara bertahap meningkat, terutama untuk terowongan lintas sungai dan lintas laut. Saat ini, operasi perisai terkubur dalam dengan tekanan air tinggi—seperti Terowongan Shiziyang, Terowongan Jalan Sanyang Wuhan, Terowongan Teluk Shantou, dan Terowongan Mawan—telah mengalami tekanan air maksimum melebihi 10 bar. Kapasitas diferensial tekanan dari pemotong cakram (disc cutter) konvensional adalah 3 bar. Saat beroperasi di lingkungan bertekanan air tinggi, pemotong yang tahan tekanan tinggi harus digunakan. Pemotong yang cocok untuk lingkungan bertekanan air tinggi terutama memerlukan stabilitas tinggi dari kinerja penyegelan pemotong di bawah kondisi tekanan tinggi eksternal untuk memastikan operasi normal. Fokus utamanya adalah menembus teknologi penyegelan pemotong cakram di lingkungan bertekanan air tinggi.

2.1 Prinsip Pemotong Cakram Tahan Tekanan Air Tinggi

Sebuah rongga dibuat di pusat poros pemotong, yang berhubungan dengan bagian dalam pemotong cakram. Pada saat yang sama, sebuah piston yang dapat bergerak dipasang di dalam rongga. Ketika pemotong cakram beroperasi dalam lingkungan bertekanan air tinggi, tekanan internal pemotong diubah dengan menyesuaikan volume udara internal. Ini mencapai keseimbangan dinamis dengan tekanan lingkungan permukaan kerja penggalian, memastikan stabilitas operasional rotasi pemotong. Menurut sifat PVT (Tekanan-Volume-Suhu) gas, dengan menyesuaikan volume internal pemotong, tekanan internal pemotong cakram yang diperlukan diperoleh. Ini memastikan bahwa perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar pemotong tidak melebihi batas kapasitas perbedaan tekanan segel. Saat memasang pemotong cakram jenis ini, umumnya disyaratkan bahwa rongga internal pemotong diisi sepenuhnya dengan minyak pelumas.

2.2 Jenis Pemotong Cakram Tahan Tekanan Air Tinggi

Pemotong cakram bertekanan air tinggi terutama terdiri dari dua jenis: tipe piston bergerak dan tipe kandung kemih yang dapat dipompa. Tipe piston bergerak dapat mencapai tekanan internal maksimum 6 bar. Dikombinasikan dengan kemampuan segel mengambang untuk menahan perbedaan tekanan aman sebesar 3 bar, pemotong cakram bertekanan air tinggi jenis ini dapat memenuhi persyaratan lingkungan kondisi penggalian hingga 9 bar.

2.3 Teknologi Pembukaan Ruang di Bawah Tekanan pada Tekanan Air Tinggi-Lapisan Sangat Permeabel

Dalam terowongan perisai yang melintasi sungai dan laut, ketika mesin perisai dihentikan, sering kali berada di lapisan tanah kompleks dengan tekanan air tinggi (>0,5 MPa) dan permeabilitas tinggi (koefisien permeabilitas >10⁻² cm/s). Lapisan tanah seperti ini tidak memiliki kondisi untuk operasi pembukaan ruang secara atmosferik. Oleh karena itu, tidak mungkin menghindari operasi intervensi di dalam ruang di bawah tekanan. Penggantian pisau di bawah tekanan memiliki risiko tinggi, kemajuan lambat, dan menimbulkan bahaya kesehatan yang signifikan bagi personel. Intervensi ruang di bawah tekanan dapat dibagi menjadi dua jenis: operasi udara bertekanan konvensional dan operasi penyelaman saturasi di bawah tekanan. Yang pertama cocok untuk kondisi dengan kedalaman dangkal, tekanan relatif rendah, dan durasi operasi yang singkat. Yang terakhir cocok untuk kondisi dengan kedalaman besar, tekanan udara tinggi, dan durasi operasi yang panjang.

2.3.1 Intervensi Ruang Udara Terkompresi Konvensional di Bawah Tekanan

Terowongan Sungai Yangtze Nanjing adalah proyek awal yang tipikal di Tiongkok yang mengadopsi teknologi pembukaan ruang udara bertekanan konvensional dan penggantian pisau di bawah tekanan. Ketika perisai menembus hingga kedalaman 53,25 m di bawah dasar sungai, terjadi keausan parah pada kepala pemotong dan pisau pemotong, sehingga penggalian lebih lanjut tidak mungkin dilakukan. Untuk memastikan kedap gas lapisan tanah selama operasi udara bertekanan, proyek ini pertama-tama membiarkan sejumlah besar lumpur bentonit murni dengan kepadatan rendah dan viskositas rendah meresap ke permukaan galian. Kemudian, lumpur di dalam ruang bertekanan diganti dengan lumpur campuran bentonit dan tanah liat untuk membentuk kue lumpur yang padat dan kedap gas. Setelah kue lumpur terbentuk, permukaan lumpur diturunkan sebesar 3 m dan diganti dengan udara bertekanan. Sebelum mengganti pisau, operator masuk ke kunci manusia untuk menjalani proses pemberian tekanan, dan selanjutnya melakukan pekerjaan penggantian pisau di dalam ruang lumpur. Waktu operasi efektif untuk setiap sesi adalah 45 hingga 60 menit, dengan efisiensi kerja sekitar 50%.

Selain itu, pencegahan dan pengobatan penyakit dekompresi (barotrauma/bends) di kalangan operator dalam kondisi pneumatik merupakan isu kunci lain dari teknologi ini. Karena penggantian pemotong melalui pembukaan ruang di bawah tekanan mengharuskan operator menjalani proses pemberian tekanan (umumnya 10–20 menit) untuk setiap tugas, mereka juga harus menjalani proses dekompresi (umumnya 2–3 jam) di dalam man lock sebelum keluar setelah menyelesaikan inspeksi dan penggantian cutterhead dan pemotong. Seringnya menjalani proses pemberian tekanan dan dekompresi mudah menyebabkan gejala dekompresi pada operator. Oleh karena itu, teknologi pembukaan ruang udara bertekanan konvensional dan penggantian pemotong tidak terlalu cocok untuk operasi penggantian pemotong dengan beban kerja yang besar.

2.3.2 Intervensi Ruang Penyelaman Saturasi di Bawah Tekanan

Penggantian cutter melalui penyelaman saturasi memerlukan peralatan khusus pada mesin shield, seperti ruang hidup hiperbarik saturasi dan kunci transfer personel (shuttle). Selama periode penggantian cutter, operator hanya perlu menjalani satu proses pemberian tekanan. Mereka beristirahat dan menunggu di ruang hidup hiperbarik serta melakukan pekerjaan di depan permukaan galian cutterhead. Setelah pekerjaan selesai, mereka juga hanya perlu menjalani satu proses dekompresi untuk kembali ke tekanan atmosfer. Oleh karena itu, dibandingkan dengan penggantian cutter dengan udara bertekanan konvensional, penggantian cutter dengan penyelaman saturasi cocok diterapkan pada lapisan tanah dengan tekanan air dan tanah yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, metode ini menghilangkan kebutuhan akan pemberian tekanan dan dekompresi berulang kali, sehingga secara signifikan meningkatkan efisiensi kerja. Saat menggunakan penyelaman saturasi untuk operasi penggantian cutter, satu shift kerja dapat berlangsung hingga 6 sampai 8 jam. Efisiensi kerjanya 8 hingga 10 kali lipat dibandingkan operasi bertekanan konvensional. Selain itu, ruang saturasi dapat menampung personel selama sekitar 3 minggu, yang secara efektif mengurangi kemungkinan terkena penyakit dekompresi.